計算機輔助技術基礎》第一章概述第一節CAD的基本概念一、傳統設計過程分析機械設計是產品從設計、制造、裝配、銷售和使用整個生命周期中的第一個環節，也是最重要的環節，因為它對產品性能的影響通常占80%。所謂機械設計就是根據使用要求確定產品應該具備的功能，構想出產品的工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結構形式以及所用材料等事項，并轉化為具體的描述，例如圖紙和設計文件等，以此作為設計、制造的依據。傳統機械設計過程如圖1-1所示。設計過程一般經歷如下幾個階段：（1） 概念設計通過調查研究，資料收集，仔細分析用戶需求，在此基礎上確定產品功能，進而構思方案，進行分析與論證，最后獲得一組可行的原理性方案（見圖1-1中的第1，2，3框）。其中，方案設計基本上決定了產品的結構、使用功能及經濟性。是產品設計最關鍵的階段。（2） 初步設計從前一階段一組可行性原理方案中選一優化方案，繪制總布置草圖，確定各部件基本結構和形狀，確定相應數學模型，進行主要設計參數的分析計算與優化。（3） 詳細設計確定設計對象的細部結構，最終完成總布置圖和零、部件圖，并編寫技術文件。傳統設計過程的特點是：（1）它的每一個環節都是依靠設計者用手工方式來完成的。從本質上說，大都是憑借設計者直接的或間接的經驗知識，通過類比分析法或經驗公式來確定設計方案。（2）應用傳統的機械設計方法，設計者的大部分時間和精力都耗費在裝配圖和零部件工作圖的繪制上，因而對整機全局的問題難于進行深入的研究，對于一些分析計算，常常只得用作圖法或類比法等近似的方法，因此具有極大的局限性。具體表現在:1）方案的擬定在很大程度上取決于設計者的個人經驗，即使同時擬訂了少數幾個方案，也難以獲得最優方案；2） 在分析計算工作中，由于受人工計算條件的限制，只能采用靜態的或近似方法而難以用動態的或精確的方法計算，計算結果未能完全反映零部件的真正工作狀態，影響了設計質量；3） 設計工作周期長，效率低。由此可見，詳細設計的終結并不意味著最終獲得了一個好的設計。機械產品在經歷了制造加工、樣機測試、批量生產、以及銷售使用后，將返回大量信息，并對產品進行不斷修改。機械產品是一個“設計一評價一再設計”的反復迭代、不斷優化的過程。在人工設計的情況下，設計周期長，設計質量不高。因此實現某種稈度的自動化，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計質量，就成為機械設計發展的迫切要求，正是在這樣的背景下產生了計算機輔助設計（CAD）。二、CAD的基本概念計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）是一種用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品或工程進行設計的方法與技術，包括設計、繪圖、工程分析與文檔制作等設計活動，它是一門多學科綜合應用的新技術，是一種現代設計方法、所謂現代設計方法是指包括一切先進的設計理論、設計方法和設計技術，是一切先進而行之有效的設計思想的集成和統一。從字面上看，計算機輔助設計就是用計算機幫助工程技術人員搞工程設計。深入理解為一方面將各種各樣的設計方法和步驟存入計算機，自動完成工程設計計算即“數值計算工作”；另一方面用計算機完成工程圖的繪制工作一“計算機繪圖”。兩種理解都不錯，但是不完善，不全面，沒有反映出這種先進的設計方法的本質和全部內容。CAD技術是通過計算機和CAD軟件對“產品”進行分析、計算與仿真、產品結構和性能的調整與優化以及繪圖，把設計人員具有的最佳特性（創造性思維、形象思維與經驗知識、綜合判斷與分析能力）同計算機強大的記憶與檢索信息能力、大量信息的高速精確計算與處理能力、易于修改設計、工作狀態穩定且不疲勞的特性結合起來，從而大大提高了設計速度與效率，提高了設計質量，降低了設計成本因此，1973年，國際信息處理聯合會給CAD一個廣義的定義:“CAD是將人和機器（計算機及其外設）混編在解決專業設計問題中的一種技術，從而

使人和機器的最好特征聯合起來。”這樣的定義，就揭示出CAD的本質和應包括的內容。必須指出，CAD不是完全的設計自動化，實踐證明完全的設計自動化是非常困難的。CAD是將人的主導性與創造性放在首要地位，同時充分發揮計算機的長處，使二者有機地結合起來。因此人機信息交流及交互工作方式是CAD系統的顯著特點。三、CAD系統的工作方式從技術角度看，60年代初出現的CAD主要解決自動繪圖問題。隨著計算機硬、軟件及其它相關技術的發展，現在的CAD已成為一門綜合性應用新技術。它涉及到以下基礎技術。1．圖形處理技術如二維交互圖形技術、三維幾何造型技術及其它圖形輸入輸出技術。2．工程分析技術如有限元分析、優化設計方法、物理特性計算（如面積、體積、慣性矩等）、模擬仿真以及各行各業中的工程分析等。3．數據管理與數據交換技術如數據庫管理、不同CAD系統間的數據交換和接口等。4．文檔處理技術如文檔制作、編輯及文字處理等。圖1-2CAD設計過程5．軟件設計技術如窗口界面、圖1-2CAD設計過程CAD系統的工作過程如圖1-2所示，該圖表示了設計過程的一個子過程。假設概念設計已經完成，于是首先定義產品的幾何模型，并將其轉換成具體的數據，然后根據后續工作抽取模型中有關數據進行處理，例如變成有限元網格數據，接著進行工程分析及計算，根據計算結果決定是否要對設計進行修改，修改滿意后進行詳細設計，接著編制全部設計文檔，輸出工程圖。近幾年來，由于先進制造技術的快速發展，帶動了先進設計技術的同步發展，使得CAD技術有了很大的擴展。現在的CAD過程往往與計算機輔助工藝規程設計（CAPP）及計算機輔助制造（CAM）混連在一起，形成CAD/CAM集成系統。CAD系統特點如下:（1）充分利用各種先進的設計方法例如：強度、剛度、振動的計算分析的“有限元法”；產品性能、結構、效率、消耗成本等的“優化設計方法”；產品加工過程、機器運動構件的運動過程和特性的“動態模擬方法”（仿真）。（2）縮短設計周期由于計算機本身在整個設計過程中，能高速準確地進行數據和設計資料的檢索，也能對設計者提出的設計模型和方案進行分析比較，并通過對外部設備的控制將結果進行打印或繪圖輸出，存儲必要的設計結果以備調用。所以，使用CAD系統能夠大大縮短設計周期，提高工作效率。CAD系統的“適時修改”能力也是傳統的手工設計方法所不能相比的。（3） 提高設計質量在進行傳統的手工設計時，通常采用經驗類比和估算的方法。這種方法不僅效率低，而且設計質量的可靠性較差。使用計算機則可以對大量復雜的數學模型和計算公式進行精確處理，可以采用優化設計的方法得到最佳的設計結果，使得產品的廢品率下降，最終使產品整體成本減少。（4） 降低勞動強度利用CAD系統進行設計，可減少設計人員的復雜性勞動，以便集中精力進行有創造性的技術工作。它還同時使得人類資源需求下降。（5） 實現文檔管理數字信息化利用CAD系統完成設計工作以后，其結果（如工程圖文檔案、分析與計算過程、產品設計變更情況等）都可以轉化為數字信息。這些數字信息可以通過CAD系統中的圖文管理系統自動管理。在使用這些信息資源時，可根據企業實際管理模式授權使用，也可以按設計流程進行階段管理，同時還可以滿足技術文檔的各級保密要求。可見工程文檔的數字信息化是這些功能的實現基礎。（6） 有利于計算機輔助制造（CAM）的發展通過CAD/CAM集成技術，實現產品設計和制造的一體化。第二節 CAD發展概況―、CAD技術的發展史在過去40多年中，CAD技術經歷了五個主要發展時期。1．20世紀50年代—準備和醞釀時期1950年，美國麻省理工學院（MIT）研制出類似于示波器的圖形設備“旋風1號”（WhirlwindI），利用它可以顯示簡單圖形；1958年,美國Calcomp公司研制出滾筒式繪圖儀，Gerber公司研制出平板繪圖儀，由此開始了交互式計算機圖形學的研究。整個50年代，人們大多采用電子管計算機，用機器語言編程，計算機主要用于科學計算，為之配置的圖形設備僅具有輸出功能。CAD技術處于被動式的圖形處理階段。2．20世紀60年代—蓬勃發展和進入應用時期這是交互式計算機圖形學發展的最重要時期。1962年美國MIT林肯實驗室的學者I.E.Sutherland研究出了名為Sketchpad的系統，發表了“Sketchpad:—個人機通訊的圖形系統”的博士論文，首次提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構等新思想，從而掀起了大規模研究計算機圖形學的熱潮，并開始出現CAD這一術語60年代中期出現了許多商品化的CAD設備，如：1964年：美國通用汽車公司宣布了它們的DAC-1系統；1965年：洛克希德飛機公司推出了CADAM系統，貝爾電話公司宣布了GRAPHIC-1系統等。但由于當時刷新式圖形顯示器價格十分昂貴，因此CAD系統很難普及及推廣。60年代后期存儲管式顯示器以其低廉的價格進入市場，CAD系統的成本下降很多，于是出現了一批廠商，他們將硬、軟件放在一起成套出售給用戶，即所謂的Turnkey系統（交鑰匙系統），并很快形成了CAD/CAM產業。60年代末，美國CAD工作站安裝數量已達200臺，可供幾百人使用。3．20世紀70年代—廣泛使用的時期計算機交互圖形技術日漸成熟并在工業界中日益得到應用。1970年，美國Applicon公司推出第一個完整的CAD系統。在此時期岀現了廉價的固體電路隨機存儲器、產牛逼真圖形的光柵掃描顯示器、光筆、圖形輸入板等多種輸入形式的圖形輸入設備，出現了面向中小企業的CAD/CAM商品化系統。70年代末，美國CAD工作站安裝數量超過12000臺，使用者超過25000人。4．20世紀80年代以后—突飛猛進的時期?進入80年代，工業界認識到了CAD/CAM新技術對生產的巨大作用，于是在設計與制造方面對CAD/CAM銷售商提出了各種各樣的要求，導致了新理論、新算法的大量涌現。在軟件方面做到了將設計與制造的各種單個軟件集成起來，使之不僅能繪制工程圖形，而且能進行三維造型、自由曲面設計、有限元分析、機構及機器人分析與仿真、鑄塑模設計等各種工程應用。其中尤為重要的是實體造型理論與系統的發展及應用。岀現了許多實體造型系統，如通用汽車公司的Gmsolid、ShapeData公司的Romulus、Rochester大學的PADL-2、Applicon公司的Synthevision-based及Computervision公司的Solidesign等等。與此同時，計算機硬件及輸入輸出設備也有很大發展,32位字長的工程工作站及微機達到了過去小型機甚至中型機的性能；價格低廉的彩色光柵圖形顯示器占據了統治地位；同時計算機網絡獲得了廣泛的應用。所有這些形成了網絡環境下的高性能的CAD/CAM集成系統。80年代末，美國實際安裝CAD系統達到63000套。5．20世紀90年代—開放式、標準化和智能化方向發展的時期（1） 開放性CAD技術和系統的開放性取決于其所用計算機和系統軟件的開放性。由于微機及其Windows98/2000/NT操作系統與工作站及其Unix操作系統在以太網的環境下構成了CAD系統的主流工作平臺，因此，現在的CAD技術和系統都具有良好的開放性。（2） 標準化主要表現在圖形接口、圖形功能日趨標準化。從1977年由SIGGRAPH圖形特別小組GSPC推出CORE圖形標準以來，相繼出現了：計算機圖形接口CGI（ComputerGraphicsInterface）；計算機圖形文件標準CGM（ComputerKernelSystem）；計算機圖形核心系統PHICS（Programmer'sHierarchicalinteractivegraphicsStandard；；基本圖形轉換規范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）和產品數據轉換規范STEP（StandardfortheExchangeofProduct）等。這些標準既有面向圖形設備的驅動程序包，面向用戶的圖形用戶接口程序包，又有面向不同CAD系統的文檔規范。這些由國際標準化組織（ISO）制定的標準為CAD技術和系統的推廣、移植和信息資源共享起到了重要作用。（3） 集成化CAD技術的集成化主要體現在四個方面：1） 系統構造由過去單一功能變成集成功能，軟構件和軟總線技術普遍采用，出現了由計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助工藝設計（CAPP）/計算機輔助制造（CAM）/計算機輔助工程（CAE）/產品數據管理（PDM）等功能模塊集成的計算機集成制造系統（CIMS）。2） CAD技術中的有關軟件和算法不斷固化，即用集成電路及其功能塊來實現有關軟件和算法的功能。3） 多處理機、并行處理技術用于CAD中，使工作速度成數量級地提高。4） 網絡技術在CAD中被普遍采用，使近程和遠程的資源都能即時共享，逐步實現異地、協同、虛擬設計和制造。（4）智能化在CAD系統中綜合應用正文、圖形、圖像、語言等多媒體技術和人工智能、專家系統等技術大大提高了自動化設計的程度，出現了智能CAD的新學科。智能CAD把工程數據庫及其管理系統、知識庫及其專家系統、擬人化用戶接口管理系統集于一體，形成智能CAD系統。集成化、智能化CAD技術與系統是真正實現設計自動化的關鍵。二、CAD技術在我國的發展情況我國的CAD技術起步于70年代，可以說比工業發達國家晚了將近10年。“六五”和“七五”期間，我國在CAD技術的各個方面，開展了許多研究、開發和推廣應用工作，所取得的成果，為生產力的發展注入了技術進步的因素，起到了可喜的促進作用。例如機電部選定對汽車、拖拉機、電機、機床等20個主要產品進行應用開發，并已程度不同的投入應用。“八五”期間，根據“抓應用、促發展、見效益”的方針，又重點抓了CAD技術的推廣應用和普及工作，使得CAD技術在各個領域較快地發展。例如：▲許多單位引進了成套的功能強大的CAD系統，出現了很多32位超級微機型工作站；同時普及型的微機CAD系統逐漸得到應用；▲各高等院校和研究所在CAD技術的基本理論、功能軟件和應用軟件等方面進行了大量研究工作，并取得了較好的成果，有些領域中的CAD技術已經達到國際上80年代中期的水平；▲自行開發的各種CAD軟件已投入試用和使用，有的已經商品化。根據1992年的抽樣調查結果可知，機械電子行業已有CAD系統16076套，航空工業系統約有90%以上配備了不同檔次的計算機，工程設計院90%以上的計算工作量、50%左右的方案設計、30%左右的繪圖工作量通過CAD完成。“九五”期間，國家科委將CAD應用工程列為重中之重，將進一步普及和深化CAD應用工程列為“科教興國”的重要內容。提出大規模推廣和應用CAD技術，到2000年，我國CAD的開發和應用水平已基本要達到國外中等發展國家90年代中后期的水平；提供了大量軟、硬件配套的CAD系統，建立起了我國自己的CAD行業。近二年來，在國產化自主版權CAD軟件的開發方面，取得了很大的發展。三、CAD技術發展趨勢21世紀，經濟競爭是世界各國競爭的焦點和世界發展的重要推動力。對制造業而言，每個企業都面臨著持續多變和不可完全預測的全球化市場競爭，競爭的核心是以知識為基礎的新產品的競爭。隨著微機性能的不斷提高，微機CAD系統及其相關技術獲得了迅猛發展。由于先進制造技術、先進設計理論對CAD技術的推動，CAD正經歷著由傳統單元技術向復雜大系統環境下的設計自動化技術的重要轉變，因此產生了“現代CAD技術”。現代CAD技術是指：在復雜大系統（如先進制造）環境下，支持產品自動化設計的設計理論和方法、設計環境、設計工具三方面各有關技術的總稱，它們能使設計工作實現集成化、網絡化和智能化，達到提高產品設計質量，降低產品成本和縮短設計周期的目的。因此CAD技術的發展趨勢是設計集成化、設計網絡化、設計智能化和虛擬設計技術。1．設計集成化為適應設計與制造自動化的要求，特別是近年來出現的計算機集成制造系統（CIMS：ComputerIntegratedManufacturingSystem）的要求，進一步提高集成水平是CAD技術發展的一個重要方向。為此，必須在必須在以下幾方面提高水平。（1）產品集成設計理論與方法并行工程（CE：concurrentengineering）是對產品及其相關過程（包括制造和支持過程）進行并行、一體化設計的一種系統化的工作模式。這種工作模式力圖使開發者從一開始就考慮到產品全生命周期（從概念形成到產品報廢）中的所有因素，包括質量、成本、講度和用戶要求。并行工程的技術核心除了繼承早期CIMS的信息集成外，其主要特點是過程集成。并行工程過程集成對CAD技術提出了以下要求：支持開發過程的重構和建模；實現協同設計的環境，支持多學科隊伍的協同工作；提供功能集成、信息集成的支持并行設計的CAx(CAD、(CAD、CAPP、CAM...)和DFx(designforperformance、assembly、manufacture、test、cost、service.)工具。大批量定制設計(DFMC：designformasscustomization)的概念是1996年由M.Mitchell提出的，可表述如下：釆用并行工產品快速開發設計過程過程圖1-3大批量定制的設計流程程的流程管理方式和產品族的設計思想進行產品設計，以便能夠有效地滿足客戶要求這種方法的目標是在產品設計的早期階段，在考慮整體設計的同時，考慮范圍經濟性和批量經濟性。為了實現這一目標，大批量定制設計需要對傳統的設計流程進行改進，其設計流程如圖1-3所示。具體表現在：產品開發與快速設計；工作流程并行；流程間合作等(2)產品共享信息模型的建立信息集成是實現各種先進制造系統的首要前提，實現信息集成的一個基本手段就是建立產品信息模型。產品信息模型是指覆蓋產品整個生命周期、能為計算機理解和處理的能唯一描述產品的數字化表達就機械產品而言，應覆蓋產品的市場分析、工程分析、工藝設計、加工、裝配、檢驗、銷售及售后服務等全過程因此產品信息模型是一個相當于為產品設計師、工藝師、檢驗師及維護人員等能共同理解和處理的關于產品數據的構造集合，是先進制造系統中所有技術人員進行信息交流的基礎。產品信息模型大致經歷了二維模型、三維模型、特征模型和集成信息模型四個階段。為了滿足并行工程及敏捷制造等的需求，對產品集成信息模型的內容表達提出了如下要求：?產品信息模型必須能滿足全生產過程中各個階段對產品信息的需求；?理想的產品信息模型應該包括應用領域知識，并以合理的方式表達；?產品信息模型要體現一種雙向傳送的機制；?采用標準的描述方法和建模技術實現產品信息模型，例如采用STEP標準中的建模語言EXPRESS，為產品信息模型的規范化提供必要的手段。(3)產品數據管理技術產品數據管理(PDM：ProductDataManagement)技術最早出現在80年代初期，是對工程數據管理、文檔管理、產品信息管理、技術數據管理、技術信息管理、圖像管理及其它產品定義信息管理技術的一種概括與總稱。?從狹義上講，PDM僅管理與工程設計相關的領域內信息；?而從廣義上講，它可以覆蓋到整個企業中從產品的市場需求、研究與開發、產品設計、工程制造、銷售、服務與維護等各個領域及全生命周期中的產品信息。由于PDM技術在企業的實施，將為企業的工程信息管理提供統一的支持環境，并成為連接企業應用系統與其它信息系統(如CAD/CAPP/CAM/CAEMRPII等)的橋梁與紐帶。所以PDM系統必須具有良好的開放性。PDM系統的實現依賴一些核心的使能技術支持。如電子倉庫(vault)技術、工作流(workflow)技術、數據庫技術、客戶機/服務器技術、面向對象O-O技術、Internet/Web技術等。PDM的主流發展方向有以下幾個方面：Internet/Interanet技術在PDM系統中的應用越來越深入；面向對象技術的應用及信息模型的標準化；

3） 基于CORBA與OLE/COM的應用集成;4） PDM與MRPII的功能滲透；5） 過程管理與配置管理功能的強化；6)虛擬產品開發管理（VDPM）和PDMII。MRPIIMISMRPII6)虛擬產品開發管理（VDPM）和PDMII。MRPIIMISMRPII^數據庫^MIS數據庫_丿用戶丿圖1-4基于PDM的系統集成框架PDM工作環境: v ：： ：/ 7/// 7（4）產品數據交換技術隨著計算機技術的發展與成熟，CAx技術逐漸在工業界得到了廣泛應用，越來越多的用戶需要把產品數據在不同應用系統之間進行交換。因此，有必要建立一個統一的支持不同應用系統的產品信息描述和交換標準,即產品設計描述和交換規范。STEP標準是國際標準化組織制定的數據交換標準。它解決了過去所有交換標準（如IGES、DXF、ISIF等）的不足，為CAD/CAM信息集成提供了一整套方法和理論，其中包括模型描述方法和語言、集成信息資源、應用協議的開發、一致性測試方法論、以及實現數據交換三種模式（文件交換、應用程序接口和數據庫實現）。STEP標準的制定主要有兩個目的，一是產品的數據表示，二是產品數據交換與共享。由于STEP標準是國際合作的許多專家經過嚴密的規程制定的，對產品表達與交換的完整性、一致性考慮得相當周全，因此，按STEP標準建立統一的產品數據模型進行交換可以完整地表達產品數據，支持產品生命周期的各個環節，獨立于任何CAx系統及具有多種實現形式。基于PDM的系統集成框架如圖1-4所示。2．設計網絡化自20世紀90年代以來，計算機網絡已成為計算機發展進入新時代的標志。產品的協同設計是實現先進制造模式如敏捷制造與虛擬制造的最重要的一項技術也是傳統設計方法在新歷史時期發展的必然趨勢。由于信息技術的進步，特別是計算機技術和通信技術的突飛猛進，由兩者的融合而產生的計算機網絡技術及其應用的發展，給協同科學的研究、應用提供了更強有力的支撐。協同設計是指為了完成某一設計目標，由兩個或兩個以上設計主體（或稱專家），通過一定的信息交換和相互協同機制，分別以不同的設計任務共同完成這一設計目標。協同設計是以制造全球化為背景的一種新的產品開發模式，簡言之，就是由異地分布的多個優勢互補的企業采用并行工程的思想來進行新產品的開發。這種產品開發模式的基本要求是要能實現企業間高度的信息集成。因此，當前國內外關于協同設計的研究熱點主要集中在如何實現異構計算機應用系統（CAD/CAM系統、PDM系統等）間的數據交換問題。協同設計中的關鍵技術包括如下方面：?共享知識表達與語義一致化；?沖突檢測和解決；?協同式體系結構等。3．設計智能化機械設計是一種復雜的、富于創造性的活動，設計過程中需要大量的領域專門知識、豐富的實踐經驗及問題求解技巧。現有的CAD技術在機械設計中只能處理數值型的工作，包括計算、分析與繪圖。然而，設計過程不僅僅是數值計算，而且包含了大量的決策性和創造性活動（如概念設計、方案構思與擬定、最佳方案選擇、結構設計、評價、決策、以及參數選擇等），需要進行思考、推理和判斷。這些工作依賴于一定的知識模型，采用符號推理方法才能獲得圓滿解決。因此將人工智能技術，特別是專家系統技術，與傳統的CAD技術結合起來，形成智能化CAD（ICAD：IntelligentComputerAidedDesign）系統是機械CAD發展的必然趨勢。ICAD是一種由多個智能體（或稱專家系統）與多種CAD功能模塊有機集成的支持產品設計的復雜系統。在ICAD中，必須要將知識計算機化，根據智能化的水平，可將ICAD的發展分為初級和高級兩個階段。ICAD的初級階段的表現形式為設計型專家系統，高級階段的表現形式為面向動態聯盟的集成化智能化設計系統。在ICAD的研究與應用開發中，要解決三個基本問題：1）設計知識模型的表示與建模方法其內容包含兩個方面：第一，設計對象的知識

模型，即對設計對象本身所涉及的各種知識建立相應模型；第二，設計過程的知識模型，即建立設計過程的規劃、協同控制及評價決策等模型。2）知識利用研究各種搜索方法、約束滿足方法、基于規則的推理方法、框架推理方法、基于實例的推理方法以及基于原形的設計方法等。3）ICAD的體系結構體系結構是ICAD的重要內容，因為它必須體現ICAD的基本思想與特點，例如集成的思想、多智能體協同工作的思想、人機協同以人為本的思想等oICAD的體系結構如圖1-5所示。圖形核心系統（GKS）用戶智能接口會話單元DICE）系統管理模塊（SPV）集成數據描述模式應用程序接口（API）圖形核心系統（GKS）用戶智能接口會話單元DICE）系統管理模塊（SPV）集成數據描述模式應用程序接口（API）圖1-5ICAD系統結構4．虛擬設計技術虛擬設計是一種新興的多學科交叉技術，是以CAD為基礎，利用虛擬現實技術發展而來的一種新的設計系統。它涉及多方面的學科研究成果與專業技術。通過以虛擬現實技術為基礎，以機械產品為對象，使設計人員能與多維的信息環境進行交互。同時，利用這項技術也可以大大地減少實物模型和樣件的制造。虛擬設計按照配置的檔次可分為兩大類：（1）基于PC機的廉價設計系統其主要優勢在于價格低廉，對小型虛擬設計系統的開發非常適宜，并且它的用戶廣泛，所以具有良好的市場前景。（2）基于工作站的高檔產品開發系統對于大型復雜產品的虛擬設計，一般采用高檔的工作站作為硬件平臺。虛擬設計系統按應用情況可分為增強的可視化系統和基于虛擬現實的CAD系統。（1）增強的可視化系統利用現有的CAD系統進行建模，通過對數據格式進行適當的轉換輸出虛擬環境系統。在虛擬的環境中利用三維的交互設備（如頭盔式顯示器、數據手套等）在一個“虛擬”真實的環境中，設計人員對虛擬模型進行各個角度的觀察。目前投入使用的虛擬設計多采用增強的可視化系統，這主要是因為基于虛擬建模系統還不夠完善，相比之下，目前的CAD建模技術比較成熟，可以利用。(2)基于虛擬現實的CAD系統利用這樣的技術用戶可以在虛擬環境中進行設計活動。與純粹的可視化系統相反，這種系統不再使用傳統的二維交互手段進行建模，而直接進行三維設計。與增強的可視化系統相同，利用三維的輸入設備，與虛擬環境進行交互。此外，也可支持語音識別、手勢及眼神跟蹤等。這種虛擬設計系統不需要進行系統培訓即可掌握，普通的設計人員略加熟悉便可利用這樣的系統進行產品設計。研究表明，這樣的虛擬設計系統比現行的CAD系統的設計效率至少提高5?10倍。通過對虛擬現實技術在機械產品設計方面的應用進行廣泛的探討研究后發現，虛擬設計對縮短產品開發周期，節省制造成本有著重要的意義。當今在不少大公司的產品設計中都采用了這項先進技術，例如通用汽車公司、波音公司、奔馳公司、福特汽車公司等。隨著科技日新月異的高速發展，虛擬設計在產品的概念設計、裝配設計、人機工程等方面必將發揮更加重大的作用。第三節CAD系統的功能與任務一、CAD系統的基本功能對于一個具體的CAD系統來說，由于所處理的對象不同，對硬件的配置、選型不同，支持軟件選擇不同，其功能上也會有所差異。系統與外界進行信息傳遞與交換的基本功能是靠硬件提供的，而系統所能解決的具體問題是由軟件保證的。CAD系統應具有如下基本功能：1．輸入輸出功能在CAD系統運行中，用戶需不斷地將設計要求、各步驟的具體數據等輸入計算機中，通過計算機的處理，能夠輸出系統處理的結果。輸入輸出的數值可以是數值的和非數值的（例如圖形數據、文本、字符等）。2．交互功能在CAD系統中，交互功能是用戶與系統連接的橋梁。友好的用戶界面，是保證系統完成復雜設計任務的必要條件。3．圖形顯示功能CAD設計過程是一個人機交互的過程，從產品的造型、構思、方案的確定、結構分析到加工過程的仿真，系統應隨時保證用戶能夠觀察系統的運行情況，能對中間運行結果進行實時的編輯和修改。用戶的每一次操作，都能從顯示器上得到反饋，直至取得最佳的設計效果。4．存儲功能CAD系統運行時，通常數據量很大，往往有很多算法生成大量的中間數據，特別是對圖形的操作、交互式的設計以及結構分析中的網格劃分等。為了保證系統能夠正常地運行,CAD系統必須配置容量較大的存儲設備，支持數據在各模塊間正確傳遞。二、CAD系統的主要任務機械CAD的基本內容包括建模、分析、仿真、繪圖和工程數據庫的管理等五個方面。因此，CAD系統應具有如下主要任務：1．幾何建模CAD工作過程中，首先必須建立設計對象的計算機內部表示形式，即設計模型。不同的設計任務需要不同性質的模型，如幾何模型、數字模型和物理模型等。在這些模型中，應用面最廣、最基本的是幾何模型。幾何建模是把物體的幾何形狀轉變為計算機能接受的數學描述。這種數學描述允許物體的圖像通過計算機輔助設計系統在圖形終端上進行顯示和變換。為了完成幾何建模，設計者要給計算機輸三種命令，才能在交互式計算機圖形系統的顯示屏幕上構造出物體的圖像。第一種命令是產生基本的幾何兀素，諸如點、線和圓等；第二種命令是對這些元素進行幾何變換，如平移、旋轉、縮放、對稱及錯移等；第三種命令是把各個幾何元素連接成所要求的物體形狀。目前，最常用的幾何描述模型有線框模型、表面模型及實體模型等。2計算和分析幾何模型建立后，應對該模型進行靜、動態下的強度、剛度、振動和熱變形等方面的分析。計算分析方法分為解析法和數值解法。「— 法中常用的有：有限元法、邊界元法、有限差分法及數值積分法等。例如在一個集成的CAD系統中，用戶在建立了某個零件的幾何模型之后，可利用有限元前處理程序形成有限元計算用的網格，求解后可以利用后處理程序將計算所得的零件上的應力和位移情況以圖形方式表示出來，以便用戶對零件的結構方案作出合理的判斷（確認或修改）。3．動態仿真仿真就是在計算機上構造與實際系統相一致的模型進行試驗和研究，以檢驗設計的合理性。通過仿真可以修改設計參數和系統方案，從而減少樣機試制和試驗次數。在機械CAD中，用得較多的是模態試驗。它可以在設計初期模擬產品的性能。這比傳統的先設計，再試制，后實驗，直到工程的后期才能評價出產品性能優劣要經濟得多，且大大縮短了產品開發周期。除模態試驗外，用得較多的還有運動模擬和干涉檢査。運動模擬包括機構的分析與綜合。例如對凸輪連桿機構，機構分析時輸入必要運動參數之后，系統計算出連桿上各代表點每個瞬時的運動軌跡，并用圖形表示出來。反過來，在機構綜合時，用戶只要給出要求的運動軌跡，系統就能自動地產生實現這種運動的機構。4．工程繪圖及技術文檔生成工程繪圖及技術文檔生成包括繪制工程圖（零件圖、部件圖及裝配圖等）、機構特性圖及生成零件清單、設計說明書等各種技術文件。圖形可由計算機輔助繪圖系統生成。在三維CAD系統中，可通過三維幾何造型自動生成二維圖形。5．工程數據庫的管理產品和工程設計中的信息量是非常巨大的，而且信息的形式、屬性、關系也多樣而復雜，CAD系統是建立在對這些工程信息存儲、管理、傳遞和共享的基礎上，它依靠的就是工程數據庫及其管理系統。CAD工作中，利用數據庫技術，統一管理工程數據和圖形，為各個專業設計提供共享數據的模式和它們之間的接口，完成對設計信息的存取、加工、轉換等。在CAD系統中，需要建立數據庫管理各種數據，其中包括基礎數據、設計計算過程中所產生的各種數據等如零、部件的結構參數數據、材料規格等制造所需要的數據等。6．網絡通信能力由于CAD/CAM技術日趨成熟，可應用于越來越大的項目，這類項目往往不是一個人，而是多個人、多個企業在多臺計算機上計算機上協同完成。因此必須利用計算機網絡技術建立分布式ZAD/CAM集成系統。第四節CAD技術的應用一、CAD技術在全球的應用近幾年來,CAD技術的開發和應用在國內外各行各業的產品和工程設計、制造中得到了蓬勃發展，在機械、汽車、船舶航空、航天、電子、服裝、建筑等領域中都取得了顯著的成果和效益。在國外，最早應用CAD技術的是從飛機、汽車等大型制造業開始的。隨著計算機硬、軟件的發展，CAD系統的價格逐漸降低，使得中小企業也有能力應用這一技術。進入90年代，科學技術的急速發展和市場競爭的日益加劇，促使發達國家的機械工業向著機電一體化、智能化和精密化方向發展，與此同時，機械設計與制造的手段和方法也隨之改變，以CAD/CAM為代表的現代設計制造技術也以驚人的速度向前發展。最典型的應用是美國波音公司對波音777運輸機的設計。波音公司花了近億美元，采用美國IBM和法國達索公司開發的CATIA三維設計與仿真系統，用以定義、描述整架飛機外形及有關零部件，并檢驗它們之間是否有干涉情況。使得在波音777飛機的設計制造過程中不再制作傳統的全尺寸實物模型，達到飛機設計史上的最高階段無紙”飛機設計。汽車工業代表著一個國家機械制造業發展的水平，一直是CAD/CAM技術應用的先鋒和大戶。國際上：?美國福特汽車公司在CAD/CAM技術方面處于領先地位。早在80年代初期，福特公司就著手CAD/CAM系統的規劃，建立了以工作站為主體的環行網絡系統；1985年已經有一半以上的產品設計工作使用圖形終端實現；1986年新開發的TAURUS和SABLE轎車，大約70%的外橋件采用CAD/CAM,應用率可達100%。福特公司1990年工作站已達2000臺，其應用軟件主要為自行開發的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特公司提出了C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)概念，并決定今后將采用I-DEAS軟件作為其主流核心軟件。?日本三菱汽車公司I960年從沖模的NC數控加工著手，以CAD/CAE/CAM為動力,對從設計到制造的各項工程進行改革，至今已形成了從車型款式到車身組裝的新車型開發的完整的CAD/CAE/CAM系統。?法國雷偌汽車公司應用Euclid軟件作為CAD/CAM的主導軟件，目前已有95%的設計工作量用該軟件完成，并開發出很多適合汽車工業需求的模塊。德國各大汽車公司普遍采用CATIA作為其CAD/CAM系統的主導軟件。1994年，德國大眾決定用CATIA和Pro/Engineer作為其將來開發新車型的主導CAD系統。由上所述，CAD技術之所以重要，是因為它推動了幾乎一切領域的技術革命,CAD技術的應用水平已成為衡量一個國家科學技術水平的重要標志之一。二、CAD技術在我國的應用我國科學技術部在CAD應用工程2000年規劃綱要中指出：“到2000年,在國民經濟主要部門的科研、設計單位和企業中全面普及推廣CAD技術,實現“甩圖版”工程,提高智能勞動效率,推廣我國CAD市場，扶持發展以CAD為突破口的我國自主創新的軟件產業，建立起我國的CAD產業”重點在機械制造業的大中型骨干企業和科研單位中普及應用CAD技術。目前，機械制造業應用CAD技術的普及率和覆蓋率均達到70%以上，CAD應用水平達到國外工業發達國家80年代末、90年代初的水平。工程設計行業CAD普及率和覆蓋率均達到100%,CAD應用水平達到國際90年代中期水平。廣義CAD的應用從繪制二維工程圖逐步深入到圖紙文檔電子化管理、三維造型、有限元分析、優化設計、工藝設計、數控加工、仿真模擬、產品數據管理、制造資源管理、企業資源管理、異地協同虛擬設計制造等內容。在CAD應用過程中，國內的高等院校和科研院所在CAD支撐和應用軟件的開發上擔任極其重要的角度。?在優化設計方面，華中理工大學的優化程序庫OPB及機械零部件的優化設計程序早在20世紀80年代末就在工礦企業中推廣，對廣大工程技術人員，了解和使用CAD技術起到了促進作用。?在二維交互繪圖系統方面，不少自主版權的軟件，女口GH-MDS和GH-InteCAD、PICAD、開目CAD、凱圖cad-tool等都已經在國內行業中推廣使用，其中由清華大學和華中理工大學共同研制的GH-MDS可以和AutoCAD的12版基本兼容，而InteCAD、開目CAD和凱圖均出自華中理工大學機械工程學院。?在三維造型和幾何設計方面,北京航空航天大學的PANDA金銀花系統,清華大學和華中理工大學共同研制的CADMIS等都實現了參數化特征造型、曲面造型、數控加工和有限元分析的集成，但商品化程度還較低。?在有限元分析方面，大連理工大學研制成分析軟件IFEAS并與華中理工大學的有限元前后處理系統GH-FEM實現了集成。?在數控編程方面，南京航空航天大學的超人CAD/CAM、華中理工大學的GHNC均可實現復雜曲面的造型和數控代碼的自動生成和加工仿真。?工程數據庫有浙江大學的OSCAR、華中理工大學的GH_EDBMS等。另外，在應用領域，如通用機械零件設計、沖壓和注縮模具設計和制造、汽車外形設計、汽輪機葉片設計分析等方面我國均研制出了實用的CAD軟件。三、常用商用軟件隨著計算機技術的不斷發展,30年來一些工業發達國家的CAD技術不斷創新，系統不斷完善，已逐步發展成了一個從研究開發、生產制造、推廣應用到銷售服務的高技術產業3相應地產生了一批高技術產業公司，從事CAD硬件平臺的制造、軟件的開發、市場銷售、服務與咨詢等方面的工作。國內的高等院校和科研院所也開發出優秀的CAD軟件。當前我國市場上銷售的CAD軟件多達上百種。根據硬件使用環境、產品性能及應用領域的不同大致可以分為以下幾類：應用于微機的CAD軟件國外CAD支撐平臺軟件最具代表性的軟件是美國Autodesk公司的AutoCAD。該軟件是一個應用于微機的通用計算機輔助繪圖和設計軟件，它具有功能強、適應面廣、掌握容易、使用方便、便于二次開發等優點，因而在國際上得到廣泛應用。它作為一個軟件開發平臺，在全球有幾千家基于其上的開發環境。此外，Intergraph、Sigraph、Microstation等也有一定的知名度。國內自主版權CAD支撐平臺國內自主版權支撐平臺主要有開目CAD/CAPP,凱思PICAD，高華GHCAD，凱圖CADTooL華正CAXA電子圖版等。它們的價格從近萬元到幾百元不等，開發商多為CAD軟件聯盟成員。自1992年起陸續進入市場，由于符合國情，遵循國家標準、設計繪圖速度快、價格相對低廉而占據了越來越大的市場份額。基于AutoCAD平臺的二次開發軟件國內產品如華中理工大學華中軟件公司的InteCAD、浪潮CAD系統工程公司的浪潮CAD和國防科技大學的銀河CAD等。二次開發主要是對AutoCAD進行漢化并添加圖形庫、標注等功能。三維CAD軟件最具代表性的產品為1995年美國SolidWorks公司的SolidWorks97。它運行于WindowsNT環境下，與Office兼容，具有較強的參數化特征造型功能。同類產品還有以色列的Cimatron、美國Autodesk公司的MDT等。MDT是基于特征基于參數化的三維實體造型軟件,它完全兼容了AutoCAD的所有功能，因此得到了廣泛的應用。國內比較成熟的三維CAD軟件為廣州紅地公司的金銀花MDA等。大型集成化的CAD系統軟件世界上較著名的大型CAD/CAM/CAE公司有：美國的IBM、Computervision、Hewlett-Packard、EDS/UingraphicsControlData、Intergraph、SDRC、Applicon和Autodesk等公司。該類軟件原來運行于SGI、HP、DEC和Sun等高檔圖形工作站，功能模塊繁多。隨著微機硬件性能的提高，價格不斷下降，目前大多數大型軟件已可以運行在以WindowsNT為操作系統的微機上，宜為一般中小企業所接受，為CAD/CAM/CAE集成軟件系統的推廣應用打開了廣闊空間。主要產品有：美國PTC公司的Pro/Engineer；美國EDS/UG公司的UGII；（與I-DEAS合并）SDRC公司的I-DEASMasterSeries美國IBM公司的CATIA；美國CV公司的CADDS5法國MDTV公司的EUCLIDQuantum等上百種。大型集成化的CAD軟件比較成熟，技術也比較先進，但價格相對較高。目前全世界最為流行的集成化CAD軟件為Pro/Engineer、UGII、I-DEAS和CATIA。3?國內外商用CAD軟件功能及特點（1）三維CAD設計軟件——金銀花MDA“金銀花”MDA是廣州紅地公司推出的我國自主版權的微機平臺商品化三維CAD軟件。該系統是一個通用的機械產品開發環境。利用系統所提供的各種工具，用戶可以方便地進行零件設計、裝配設計和工程圖紙的設計；該系統所產生的三維實體零件可以為后續的工藝分析和數控加工提供完整統一的產品數據信息；三維實體零件、裝配件經過適當處理便可以進行各種強度分析、運動分析、產生真實感圖形等；用戶可以在該平臺的基礎上進行二次開發，以滿足不同行業和領域的特殊需要。其功能模塊如下：1） 零件設計模塊該模塊是“金銀花”MDA中的重要模塊之一，是采用基于特征、基于參數化的造型方法所構建的模塊。MDA包括三大類特征：參數定義特征、基準特征、草圖定義特征。2） 裝配設計模塊完成由零件到產品的組裝過程。可以完成如下功能：自動生成裝配體的爆炸視圖、剖切視圖；測量裝配體任意點、線、面、體間的距離；檢查裝配體是否有干涉，避免設計失敗所帶來的無法估量的損失；準確計算任何一個零件、裝配體的體積（質量）等物性參數；進行運動仿真。3） 工程圖